基于SAFETI軟件的天然氣儲配廠罐區(qū)定量風(fēng)險分析

何寧輝工程師 張玉濤工程師 呂錫勝工程師 高 盛 戰(zhàn)致銘

(1.西安秦華天然氣有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西海山安全技術(shù)服務(wù)有限公司，陜西 西安 700024)

0 引言

定量風(fēng)險分析(Quantitative Risk Analysis,QRA)方法被廣泛的運用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域的風(fēng)險分析中，挪威船級社(DNV)公司開發(fā)的SAFETI(Software for the Assessment of Flammable Explosion and Toxic Impact)軟件是定量風(fēng)險分析的工具之一。近些年來，國內(nèi)各種生產(chǎn)事故頻發(fā)，國家出臺了一系列的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，要求企業(yè)提高安全生產(chǎn)水平、加強對于自身生產(chǎn)風(fēng)險分析管控。有一批學(xué)者和安全行業(yè)從業(yè)人員對SAFETI軟件在各領(lǐng)域的應(yīng)用做了大量研究。

膝封梅介紹了定量分析軟件SAFETI的功能，闡述了運用SAFETI軟件進(jìn)行事故后果模擬的方法流程，并將其運用到了石油化工生產(chǎn)裝置的事故后果模擬中[1]；陳國華在LPG(液化石油氣)儲罐上運用SAFETI軟件對其進(jìn)行事故后果模擬評價，完整的敘述了SAFETI軟件使用流程，并提出將SAFETI軟件運用于天然氣管網(wǎng)的腐蝕性研究中的思路[2]；翁幫華將SAFETI軟件運用于增壓站，模擬得出了廠區(qū)的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險結(jié)果，并結(jié)合國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對于加壓站進(jìn)行了定量風(fēng)險評價，得出了基于SAFETI軟件的QRA分析方法[3]；黃海濱把SAFETI軟件應(yīng)用于海上石油平臺PSP上，在利用FLUENT軟件模擬得出的油氣泄漏分布的基礎(chǔ)上，模擬出平臺油氣泄漏的火災(zāi)爆炸后果，建立了多模擬軟件相結(jié)合的定量分析方法，模擬結(jié)果更接近實際[4]。

膝封梅主要在理論層面介紹了如何適用SAFETI軟件，對實際應(yīng)用的描述不夠具體且只對事故后果進(jìn)行了分析；黃海濱只對于事故后果進(jìn)行分析，對于評價對象的風(fēng)險未作分析，而翁幫華只對風(fēng)險進(jìn)行了分析，并未考慮事故后果的影響；陳國華用SAFETI進(jìn)行了事故后果和風(fēng)險2方面評價，但并未給出相應(yīng)建議。結(jié)合上述論文的思路與優(yōu)缺點，本文首次將SAFETI軟件應(yīng)用于城市燃?xì)獾膬ε鋸S中，對天然氣儲罐開展事故后果模擬和定量風(fēng)險分析，并將分析結(jié)果對應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，提出儲配廠安全管理方面的建議措施。

1 SAFETI軟件簡介

SAFETI軟件于1961年正式問世[5]，是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QRA軟件，由DNV公司開發(fā)，擁有30多年開發(fā)歷史，在國內(nèi)外廣泛用于對石油化工設(shè)施及流程工業(yè)中的定量風(fēng)險評價分析，是一款成熟穩(wěn)定準(zhǔn)確可靠的定量風(fēng)險評價分析工具。

2 天然氣的理化性質(zhì)

天然氣的成分主要由甲烷(85%)、丙烷(3%)、氮(2%)、丁烷(1%)和少量乙烷(9%)組成。天然氣是一種易燃易爆氣體，天然氣的密度比空氣小，又無色、無味、無毒。具體的理化性質(zhì)，見表1。

3 天然氣泄漏的危害

天然氣中的主要成分是烷烴，其特性是易燃易爆。當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏后，氣體從泄漏口高速向外噴出，同時極易與缺口邊緣摩擦出火花，產(chǎn)生噴射火焰。當(dāng)天然氣在空氣中濃度達(dá)到5%～15%時，遇明火在瞬間燃燒釋放大量能量，產(chǎn)生高溫高壓氣體，高壓氣體因超壓釋放產(chǎn)生沖擊波，即爆炸。因此天然氣泄漏帶來的危害主要是爆炸超壓和噴射火2種事故狀態(tài)。

3.1 爆炸超壓

發(fā)生爆炸時，爆破能量在向外釋放時以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來，其中空氣沖擊波是爆炸的主要危害因素。沖擊波的傷害和破壞作用在多數(shù)情況下都是由超壓所引起的，見表2。

表2 爆炸超壓對人體的影響

3.2 噴射火

噴射火會造成范圍型的火災(zāi)。火災(zāi)危害包括對人、物及生態(tài)環(huán)境所造成的危害，主要來源于熱量和煙氣，其中熱輻射是熱量傳播的主要形式。不同強度熱輻射對人和設(shè)備的影響情況，見表3。

表3 熱輻射對人和設(shè)備的影響

4 儲配廠天然氣泄漏模擬

4.1 儲配廠簡介

本次分析的對象是城鎮(zhèn)燃?xì)鈨ε鋸S罐區(qū)，該廠內(nèi)設(shè)1萬m3固定容積天然氣儲氣球罐4臺，儲氣能力為40萬Nm3，設(shè)計壓力1.05MPa，最高工作壓力0.95MPa，最低工作壓力0.25MPa。工藝流程是用氣低峰時，天然氣由城市門站經(jīng)高壓管網(wǎng)進(jìn)入球罐儲存；用氣高峰時，天然氣由高壓儲罐輸氣至高壓管網(wǎng)和各高中壓調(diào)壓站。

4.2 參數(shù)設(shè)定

經(jīng)對該儲配廠實際調(diào)研，球罐壓力、運行溫度、氣體含量等事故后果模擬參數(shù)，見表4。

表4 參數(shù)選值統(tǒng)計表

根據(jù)《承壓設(shè)配系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則第4部分：失效可能性定量分析方法》(GB/T 26610.4-2014)[6]，球罐為儲存類容器，選小孔、中孔、大孔3種不同孔徑來研究球罐泄漏事故后果。各類型孔徑及發(fā)生概率，見表5。

表5 各類型孔徑尺寸及發(fā)生概率

5 模擬結(jié)果

5.1 風(fēng)險計算結(jié)果

(1)社會風(fēng)險分析。

采用SAFETI 軟件的7.2版本對事故風(fēng)險進(jìn)行模擬計算，將相關(guān)參數(shù)輸入后計算出的社會風(fēng)險結(jié)果，如圖1。結(jié)果顯示該廠罐區(qū)的社會風(fēng)險(死亡1-3人的概率)均在可接受區(qū)內(nèi)，符合國標(biāo)《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險基準(zhǔn)》(GB 30894-2018)要求[7]。

圖1 儲配廠罐區(qū)社會風(fēng)險計算結(jié)果

(2)個人風(fēng)險分析。

采用SAFETI軟件對事故風(fēng)險進(jìn)行模擬計算，計算得出個人風(fēng)險等高線，如圖2。事故發(fā)生的概率為3×10-6的個人風(fēng)險等高線(圖2中最外層黑色線)均在儲配廠圍墻內(nèi)，且未覆蓋到廠內(nèi)調(diào)壓區(qū)和辦公樓，符合國標(biāo)《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險基準(zhǔn)》(GB 30894-2018)要求[7]。

圖2 儲配廠罐區(qū)個人風(fēng)險計算結(jié)果

5.2 事故后果模擬結(jié)果

天然氣球罐一旦發(fā)生泄漏可能會造成噴射火、爆炸等后果。在SAFETI軟件中輸入相關(guān)參數(shù)，分別模擬得出2種事故形態(tài)對廠區(qū)及周圍建筑的影響，結(jié)果如下。

(1)爆炸超壓。從表2中選取爆炸超壓影響的4個代表值：0.75bar(圖中從內(nèi)到外第一層環(huán)線)、0.206 8bar(圖中從內(nèi)到外第二層環(huán)線)、0.137 9bar(圖中從內(nèi)到外第三層環(huán)線)、0.020 7bar(圖中從內(nèi)到外第四層環(huán)線)。對比圖3和圖4當(dāng)發(fā)生中孔泄漏時，爆炸超壓影響范圍基本局限在廠區(qū)隔離范圍內(nèi)，對于廠區(qū)內(nèi)建筑和周邊建筑基本沒有影響。但在發(fā)生大孔泄漏時，爆炸超壓大于0.75bar的致死范圍覆蓋了大部分廠區(qū)并且影響到了一部分廠區(qū)外建筑。所以當(dāng)發(fā)生中孔泄漏時應(yīng)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施防止事故擴(kuò)大，并及時通知、疏散周圍群眾，防止泄漏擴(kuò)大后對廠區(qū)和周邊造成嚴(yán)重影響。

圖3 中孔晚期爆炸超壓最壞情況

圖4 大孔晚期爆炸超壓最壞情況

(2)噴射火。在SAFETI軟件中輸入相應(yīng)參數(shù)后，得到了噴射火的分析結(jié)果，如圖5、6。

從表3中選取噴射火熱輻射影響的3個代表值：37.5kw/m2(圖中最內(nèi)層環(huán)線)；12.5 kw/m2(圖中中層環(huán)線)；4.0kw/m2(圖中最外層環(huán)線)。在發(fā)生中孔泄漏時，噴射火熱輻射大于37.5 kw/m2的范圍不超出罐區(qū)范圍，不會影響到廠區(qū)內(nèi)其他建筑和周邊環(huán)境。但如果發(fā)生大孔泄漏，噴射火的影響范圍將大大增加，對廠內(nèi)部分辦公樓有一定影響，但不會影響廠外建筑。

圖5 中孔噴射火強度半徑

圖6 大孔噴射火強度半徑

5.3 結(jié)果分析與建議措施

該儲配廠的個人風(fēng)險和社會風(fēng)險綜合計算結(jié)果均滿足國標(biāo)要求，建議該廠密切關(guān)注周邊建筑活動，防止新增大型人員密集場所。

事故后果模擬結(jié)果顯示：在發(fā)生中等孔徑的泄漏事故時，爆炸超壓、噴射火的危害基本能控制在廠區(qū)范圍內(nèi)，對周圍的建筑和人員影響較小。但是當(dāng)泄漏口變大成為大孔泄漏事故時，爆炸超壓的影響范圍已經(jīng)超出了廠區(qū)，將會導(dǎo)致周圍的建筑損壞和人員傷亡。因此，當(dāng)天然氣泄漏情況超出控制時，應(yīng)及時撤離廠區(qū)員工，并告知周邊民眾盡快疏散。建議該廠在日常生產(chǎn)中采取以下風(fēng)險控制措施：

(1)風(fēng)險告知：將天然氣泄漏事故后果和危害告知儲配廠周邊居民，在廠區(qū)外周圍靠近天然氣儲罐的地方設(shè)置風(fēng)險告知牌。

(2)教育培訓(xùn)：對儲配廠周邊居民開展安全教育培訓(xùn)，發(fā)放宣傳材料，向該地區(qū)居民普及天然氣危險特性、泄漏后果、泄漏后緊急疏散及撤離等方面的知識。

(3)應(yīng)急管理：編制泄漏現(xiàn)場應(yīng)急處置方案時要考慮到周邊居民，建立應(yīng)急聯(lián)動機制并定期開展應(yīng)急疏散演練。

(4)設(shè)備管理：加強廠內(nèi)罐區(qū)、調(diào)壓區(qū)等設(shè)備的巡查管理，定期對球罐外壁進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)泄漏隱患或小規(guī)模泄漏應(yīng)及時處理。

6 結(jié)論

(1)本文研究表明該儲配廠個人風(fēng)險和社會風(fēng)險均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)在事故后果方面：當(dāng)儲配廠球罐發(fā)生中孔及以下規(guī)模泄漏事故時，不會對場內(nèi)工作人員和周圍居民產(chǎn)生太大影響，但是當(dāng)事故規(guī)模達(dá)到大孔泄漏及以上時，將造成廠區(qū)內(nèi)人員和周圍居民的傷亡。

(3)建議城市燃?xì)馄髽I(yè)制定應(yīng)急預(yù)案、加強應(yīng)急演練，保障應(yīng)急物資配置，提升應(yīng)急管理水平，在發(fā)生天然氣泄漏事故時控制事故規(guī)模、減少人員傷亡。

(4)通過此研究發(fā)現(xiàn)：SAFETI軟件在城市燃?xì)庑袠I(yè)有廣泛的應(yīng)用前景，若將SAFETI軟件應(yīng)用于調(diào)壓站、門站和管道等風(fēng)險較高的設(shè)備設(shè)施，對地區(qū)和城市燃?xì)庑袠I(yè)減少事故發(fā)生、提升安全生產(chǎn)水平有重要意義。